Esta seção trata dos resultados experimentais obtidos com a execução dos projetos tanto de indutância variável, quanto de indutância fixa para utilização em um conversor ressonante LLC aplicado como MPPT. A Figura 6.8 mostra o circuito esquemático do sistema implementado para o caso da aplicação da técnica de indutância variável com enrolamento auxiliar. Para a técnica de indutância fixa suprime-se a fonte controlável CC.
Figura 6.7 – Comparação entre variação da indutância prática e teórica para corrente não nula em 𝑁𝐿
A Figura 6.9 mostra os resultados obtidos para tensão de entrada 𝑉𝑖𝑛, tensão no ponto 𝑉𝑎𝑏, corrente aplicada ao interruptor S2, e corrente sobre o indutor 𝐿𝑆, para
irradiâncias emuladas de 200 W/m² e 1000 W/m², com a aplicação de um indutor de valor fixo, fazendo o controle de MPPT através da variação de frequência de comutação 𝑓𝑠.
Fonte: Autor.
Observa-se que para a condição de mínima irradiância a frequência de comutação aplicada corresponde a 35,4 kHz. Neste ponto a tensão de entrada (15,528 V), verificada sobre o capacitor 𝐶𝑖𝑛, corresponde a tensão 𝑉𝑚𝑝 para esta irradiância. É observada também a condição de ZVS. Observam-se diferenças entre a faixa de variação de frequência teórica e prática na aplicação desta técnica. Esta condição é aceitável, uma vez que o projeto é conduzido assumindo rendimento, consideração que na prática não é verdadeira.
Vin med = 15,528 V ΔVab = 15 V i S2 rms = 3,14 A [f = 35,4 kHz] s IL rms = 4,77 A Vin med = 17,437 V ΔVab = 17 V i S2 rms = 8,16 A [f = 25 kHz] s IL rms = 12,04 A
Figura 6.9 – Formas de onda experimentais para operação do conversor LCC para indutância 𝐿𝑠
fixa, sob condição de irradiância aplicada ao painel fotovoltaico de 200 W/m² e 1000 W/m² Figura 6.8 –– Esquemático do sistema proposto: conversor ressonante LLC half-bridge aplicado como MPPT a um módulo fotovoltaico com a utilização de um indutor variável sendo
controlado pela injeção de corrente CC em seu enrolamento auxiliar.
S2 Lm D2 nS nS np CO vCo S1 Cs Ls D1 vab iR iLm iP iST iCo iO L RL vo Cin vCin Gate Driver
MPPT
M CU Gate Driver iP V P V Emulador PV FONTE CC CONTROLÁVEL Fonte: Autor.Para a condição máxima de irradiância o conversor opera sob condição nominal, quando se verifica uma frequência de comutação de 25 kHz. A tensão (17,437 V) observada em 𝐶𝑖𝑛 é próxima a 𝑉𝑚𝑝 que é especificada pelo fabricante do painel para a condição de máxima potência. Da mesma forma observa-se a condição de ZVS satisfeita. A figura 6.10 mostra os resultados obtidos para tensão de entrada 𝑉𝑖𝑛, tensão no ponto 𝑉𝑎𝑏, corrente aplicada ao interruptor S2, e corrente sobre o indutor 𝐿𝑠, para
irradiâncias emuladas de 200 W/m² e 1000 W/m². Nesta condição foi aplicado o indutor variável projetado, fazendo o controle de MPPT através da variação de sua indutância 𝐿𝑠 aplicando corrente CC no enrolamento auxiliar 𝑁𝑐.
É observado, para a condição de mínima irradiância, a frequência de comutação aplicada correspondente a 25 kHz. Neste ponto não há aplicação de corrente sobre o enrolamento auxiliar e o conversor opera sob a condição de indutância inicial projetada de 15,55 µH.
Para o ponto de 1000 W/m² é observada a condição de frequência de comutação fixa, apresentando valor de 25 kHz, assim como em toda faixa de irradiância. Neste ponto o conversor opera sob a condição nominal onde 𝑓𝑠 = 𝑓0 = 25 kHz e 𝐿𝑠 = 𝐿𝑚 = 9,006 μH. Para garantir esta condição, aplicou-se uma corrente CC com valor de 0,966 A no enrolamento auxiliar do indutor. Para esta condição, assim como anteriormente, observa-se a operação com ZVS.
Fonte: Autor.
Para validar o projeto do IV, comparou-se o nível de corrente CC necessário para a variação de indutância estimada em projeto com o nível de corrente aplicado na implementação do conversor pela Figura 6.11. Desta forma, considera-se a variação de indutância em função da injeção de corrente em 𝑁𝑐 para os respectivos níveis de corrente
Vin med = 17,136 V
ΔVab = 17 V
i S2 rms = 7,79 A
[f = 25 kHz] s
IL rms = 11,89 A
Figura 6.10 – Formas de onda experimentais para operação do conversor LCC para indutância 𝐿𝑠 variável, sob condição de irradiância aplicada ao painel fotovoltaico de 200 W/m² e 1000
eficaz apresentados no enrolamento 𝑁𝐿 em cada ponto de potência analisado. Considerou- se que, em virtude de o conversor atingir o MPP, o indutor apresenta o valor estimado em projeto. Verificaram-se menores níveis de corrente CC aplicada à 𝑁𝑐 na fase experimental do conversor. Observa-se que, da mesma forma, há diferenças entre os níveis de corrente apresentados em 𝑁𝐿 para o cálculo de projeto e a implementação prática, fato que interfere
na diferença entre os resultados.
A Figura 6.12 mostra o comparativo de rendimento do conversor LLC para as duas configurações, indutância 𝐿𝑠 fixa sob condição de frequência 𝑓𝑠 variável, e indutância 𝐿𝑠 variável sob condição de frequência 𝑓𝑠 constante. Observa-se na análise de rendimento que para baixas irradiações o rendimento do conversor, com a aplicação da técnica utilizando IV, é baixo se comparado ao rendimento apresentado frente a utilização da técnica de indutância constante e variação de frequência. Ainda assim, para potências maiores, esta diferença é visivelmente menor, sendo que para o ponto de potência nominal o conversor opera sob melhor rendimento com a aplicação da técnica de indutância variável.
Fonte: Autor.
Figura 6.11 – Comparação entre variação da indutância prática e teórica para corrente não nula em 𝑁𝐿
Figura 6.12 – Comparativo de rendimento entre as duas configurações de indutância 𝐿𝑠fixa e
Fonte: Autor
6.4 CONCLUSÃO
Neste capítulo apresentou-se uma análise comparativa da aplicação de duas topologias de conversores aplicados no rastreamento do ponto de máxima potência em um sistema fotovoltaico. Primeiramente foram analisados os resultados da aplicação de um conversor buck-boost sendo aplicadas diferentes técnicas ao projeto de seu indutor. Em seguida, foram analisados os resultados da aplicação de um conversor ressonante LLC, aplicando duas técnicas na obtenção do MPPT, sendo elas, a variação da frequência de comutação, ou a variação da indutância 𝐿𝑠.
Com os resultados obtidos para o conversor buck-boost observa-se a possibilidade de redução de volume do núcleo aplicado ao indutor com as técnicas de indutância variável. Porém, o rendimento total do conversor é penalizado, apresentando maiores diferenças a medida que os níveis de irradiância aumentam. Por outro lado, com a aplicação da análise do rendimento ponderado, pode-se observar menor relevância em faixas maiores de irradiância, uma vez que estas apresentam menores frequências. Ainda assim, o rendimento médio do conversor é penalizado na aplicação das técnicas de indutância variável.
Para o conversor ressonante LLC ficou claro, frente aos resultados práticos, a obtenção do MPP em ambas as técnicas, com a operação do conversor em ZVS para toda faixa de irradiância. Constatou-se perda de rendimento para faixas de baixa potência, porém, sob condição nominal de máxima potência e irradiância de 1000 W/m² a técnica de variação de indutância obteve melhor rendimento. Desta forma, esta técnica mostra-se como alternativa quando se deseja uma frequência de comutação constante na operação
do conversor, sendo possível a variação de outra grandeza para o controle de MPPT na utilização deste conversor.
CONCLUSÃO GERAL
Como parte constituinte de sistemas fotovoltaicos, os conversores estáticos têm a finalidade de gerenciar os níveis de tensão e corrente, bem como atuar na busca da máxima potência gerada pelos módulos fotovoltaicos. Assim sendo, estes conversores têm função decisiva na eficiência do sistema, uma vez que a energia gerada sofre influência constante de fatores externos como temperatura e irradiação, sendo necessário que haja a utilização de métodos de controle de MPPT eficientes, além da escolha de componentes que garantam baixas perdas na conversão de energia, sob condição de otimização de seu volume.
Neste contexto, a presente dissertação propôs a aplicação de técnicas de indutância variável no projeto dos indutores de dois conversores estáticos. A partir dessa proposta, esta técnica foi primeiramente aplicada no projeto de um conversor buck-boost utilizado como MPPT de um sistema fotovoltaico, para observar a possibilidade da redução do volume do núcleo do indutor, além da observação do seu rendimento obtido com esta aplicação. Em um segundo momento observou-se os resultados da aplicação da técnica de indutância variável no projeto de um conversor LLC ressonante aplicado também como MPPT de um sistema fotovoltaico, com a finalidade de modificar a variável de controle de rastreamento, comumente feita pela modificação da frequência de comutação, para a modificação dos valores de indutância.
Para o embasamento teórico do projeto destes conversores, além das técnicas de variação de indutância, apresentou-se um estudo apontando, inicialmente, os conceitos que caracterizam os sistemas fotovoltaicos, nas configurações usuais de instalação, bem como as técnicas aplicadas no rastreamento do ponto de máxima potência. Logo após, apresentou-se um estudo sobre quatro técnicas de projeto de indutores aplicados a conversores estáticos sendo elas: indutância fixa com utilização de núcleos de ferrite do tipo tipo E; indutância variável com aplicação de corrente CC em um enrolamento auxiliar utilizando núcleos de ferrite do tipo tipo E; indutância fixa com aplicação de núcleos sendust toroidais; e indutância variável com aplicação de núcleos sendust toroidais, observando as funções para a modelagem básica destes sistemas.
Visando o estudo das características de conversores estáticos CC-CC não isolados frente a aplicação como MPPT de um sistema fotovoltaico, foram ainda expostos os principais aspectos teóricos apresentando um apanhado das características de cada
conversor, equações quanto a sua modelagem e projeto, além de uma análise do comportamento dos mesmos frente a esta aplicação. Desta forma, definiu-se a utilização do conversor buck-boost na proposta deste trabalho, em função de o mesmo ter a capacidade de atingir valores de impedância de entrada tanto maiores quanto menores que o valor da impedância conectada a sua saída, sendo posteriormente apresentado o projeto deste conversor considerando a aplicação das técnicas de variação de indutância adequadas.
Pela análise inicial dos resultados observou-se a possibilidade de redução do volume do núcleo empregado na construção do indutor, tanto para a aplicação de núcleos de ferrite do tipo E, como para núcleos toroidais fabricados com material sendust. Comparando os resultados de projeto constatou-se que, com a utilização de núcleos de ferrite do tipo tipo E, obteve-se uma redução de volume do núcleo do indutor de 64%. Na aplicação da técnica de variação de indutância considerando a utilização de núcleos sendust toroidais foi possível a redução em 56%. Na comparação entre a utilização das duas configurações de núcleo, foi constatado que há a redução de volume na aplicação de núcleos sendust seja para indutância fixa ou variável, uma vez que os mesmos possuem a característica de comportar maior densidade de fluxo magnético em relação aos núcleos de ferrite.
Constatou-se, porém, que o rendimento total do conversor foi penalizado com a aplicação das técnicas de indutância variável. Comparando os resultados ponto-a-ponto frente a aplicação de uma faixa de irradiância verificou-se uma perda de rendimento máxima de 5%, para a técnica utilizando núcleos de ferrite, e de 2% para a técnica de variação de indutância com a utilização de núcleos sendust. Analisando o rendimento médio ponderado, considerando a frequência anual dos níveis de irradiância apresentados no local, a penalização foi de 2,8% para a técnica utilizando núcleos de ferrite, e em 1,5% para a técnica de variação de indutância utilizando núcleos sendust.
Desta maneira, constatou-se que na utilização destas técnicas, há uma perda de rendimento do sistema, sendo necessária uma avaliação criteriosa quanto as necessidades do projeto para a utilização das mesmas. Além disso, constatou-se que há menor diferença nesta perda de rendimento para menores irradiâncias, o que tornaria a proposta mais viável na aplicação de sistemas fotovoltaicos em regiões onde existe menor frequência de altas irradiações. Ainda se constatou que para este conversor, a técnica que demonstrou melhor resultado de rendimento foi a da aplicação de núcleos sendust, apresentando ainda menor volume relativo aos núcleos de ferrite.
O trabalho ainda apresentou a proposta da utilização da técnica de variação de indutância com aplicação de um enrolamento auxiliar em um núcleo de ferrite tipo E no controle de MPPT de um sistema fotovoltaico utilizando o conversor ressonante LLC. Esta técnica apresenta-se como alternativa à variação de frequência, usualmente utilizada para esta aplicação, tornando assim possível a variação da indutância, aplicando uma frequência de comutação fixa.
Constatou-se, frente aos resultados práticos, a operação do conversor em ZVS para toda faixa de irradiância, bem como a obtenção do MPP. Porém, observou-se perda de rendimento para faixas de baixa potência, sendo que, sob condição nominal de máxima potência e irradiância de 1000W/m², a técnica de variação de indutância obteve melhor rendimento. Desta forma, como exposto anteriormente, esta técnica mostra-se como alternativa quando se deseja uma frequência de comutação constante na operação do conversor, sendo possível a variação de outra grandeza para o controle de MPPT.
Finalmente conclui-se que as contribuições presentes nesta dissertação para otimização de volume de conversores aplicados a MPPT de sistemas fotovoltaicos mostram-se viáveis na consideração da utilização da técnica de variação de indutância, tendo sido apresentados os aspectos relacionados às vantagens desta aplicação, bem como suas desvantagens.
TRABALHOS FUTUROS
No objetivo de agregar informações aos resultados já obtidos nesta dissertação, podem ser considerados tópicos futuros passiveis de análise, como segue:
Análise da possibilidade de redução de volume do núcleo na aplicação do conversor LLC: não tendo sido foco neste trabalho, um tópico interessante a ser
observado futuramente é a possibilidade de redução de volume na aplicação da técnica de indutância variável para o conversor LLC.
Análise dos resultados frente a aplicação de outras configurações de carga:
tendo sido considerado neste trabalho, para ambas as configurações de conversores, uma carga resistiva fixa conectada à saída, é pertinente para trabalhos futuros, analisar outras configurações de carga, bem como a possibilidade de aplicação de um barramento CC, considerando um conversor CC-CA junto aos conversores analisados, com a finalidade de realizar a conexão do mesmo com a rede elétrica.
Análise de outras técnicas de variação de indutância: outra possibilidade de
agregar novos resultados ao trabalho é a pesquisa e aplicação de outras técnicas de indutância variável, além da utilização de outras configurações de núcleos, bem como de outros materiais.
Implementação da fonte de corrente para aplicação do indutor variável: de
modo de que a injeção da corrente CC no enrolamento auxiliar do indutor variável em núcleo de ferrite tipo E fora feita a partir de uma fonte de bancada externa ao circuito do conversor, um próximo momento seria interessante implementar esta fonte no sistema, de modo a ser possível também a consideração das perdas e volume do mesmo inserido no protótipo.
PRODUÇÃO CIENTÍFICA RESULTANTE
Publicados:
Martins, S., Alli, G., Seidel, Á. R., Roggia, L. “Conversor Buck-Boost Aplicado
a Sistemas Fotovoltaicos com a Utilização de um Indutor Variável”. SEPOC 2017.
Martins, S., Alli, G., Seidel, Á. R., Tambara, R., Roggia, L. “Conversor Buck-
Boost Aplicado a um Sistema Fotovoltaico com a Utilização de Técnicas de Indutor Variável.”. CBA 2018.
Aceitos:
Martins, S., Menke, M. F., Seidel, Á. R., Roggia, L. “Análise Comparativa do
Conversor LLC Ressonante Aplicado a um Sistema Fotovoltaico com o Emprego de um Indutor Variável”. INDUSCON 2018.
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